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1、本 科 毕 业 设 计（ 2008 届）题目基于Zigbee的无线抄表系统路由协议研究学院专业班级学号学生姓名指导教师完成日期2008年5月16日缩 略 词首字母英文全称中文名称Ad hocAd hoc network自组织网络，特定网络，对等网络GloMoGloble Mobile Information Systems全球移动信息系统WPANWireless Personal Area Network无线个域网PANPersonal Area Network无线个人区域网RFDReduced-Function Device精简功能设备FFDFull-Function Device全功能设备
2、DSDVdestination-sequenced distance-vector表驱动算法协议DSRdynamic source routing按需路由思想的路由协议AODVad-hoc on-demand distance vector按需距离矢量路由基于Zigbee的无线抄表系统路由协议研究【摘要】无线抄表系统技术就是将无线射频芯片与单片机系统相结合，实现远程无线水电表等表控制和对流量数据的读取的技术。本文重点介绍其核心技术-Zigbee技术。基于IEEE802.15.4标准的Zigbee网络是一种具有强大组网能力的新型无线个域网，其中的路由算法是研发工作的重点。本文介绍了ZigBee规
3、范的协议模型，重点研究了ZigBee协议网络层的路由算法，分析了Tree路由及Z-AODV路由算法，在此基础上运用NS2仿真软件进行算法仿真，并详细分析对等网、星型网及簇树网的网络性能，重点分析节点的能量损耗问题，并对簇树网中节点的平均剩余能量分布加以详细分析。 【关键词】Zigbee；无线抄表；NS2 仿真；路由算法；能量损耗Wireless Meter Reading System Routing Protocol Study Based on the Zigbee【Abstract】Wireless meter reading system techniques is the combi
4、nation of the both the wireless FR chip and the Single Chip Micyoco (SCM) system. It perfectly carries out the techniques of remote control and the flow measurement data for all the different kinds of wireless meters, such as wireless ammeter and wireless water meters and so on. In this paper, we ma
5、inly focus on its key technology, zigbee technology. Developing on the base of the IEEE802.15.4 standard, the zigbee net is a new-type of wireless Personal Area Network (WPAN), with a powerful networking capability. The research on routing algorithm of this technology is the key point of the researc
6、h and development work. This paper introduces the normative protocol model of the zigbee, mainly studies the routing algorithm of the zigbee protocol in the network layer, and analysis the routing algorithm of tree routing and Z-AODV. By applying the NS2 simulator, we deeply analysis the network per
7、formance evaluation of the peer-to-peer star and cluster-tree topologies respectively. And mainly studies the energy consumption of every node, and makes a further research on the remained average energy in the every node of the cluster-tree.【Key Words】Zigbee；Wireless meter reading；NS2 Simulation；Ro
8、uting algorithm；Energy consumption目 录第一章 绪论11.1 选题的背景与意义和选题动机11.2 Zigbee无线抄表技术的通信网络21.2.1 什么是Ad hoc网络21.2.2 Ad hoc网络的特点31.3 要完成的任务3第二章 Zigbee技术和无线抄表技术简介42.1 Zigbee技术简介42.2 无线抄表技术简介52.2.1 系统整体网络结构52.2.2 系统组网拓扑62.2.3 表连接示意7第三章 基于Zigbee的Ad hoc网络路由协议研究83.1 Zigbee技术网络层的路由算法分析83.1.1 Zigbee技术网络层的体系结构研究83.1
9、.2 Zigbee的网络拓扑结构83.1.2 网络的组建原理93.2 Zigbee网络层的路由算法分析93.2.1 Zigbee的AODV路由协议93.2.2 Z-AODV能量平衡路由103.2.3 树型（Tree）路由113.2.4 Tree+Z-AODV路由算法的分析133.2.5 路由算法小结143.3 ZigBee模块硬件设计15第四章 用NS2进行Zigbee路由算法仿真164.1 NS2 简介164.2 实现的具体方法174.2.1 Zigbee的通信方式和状态174.2.1.1 通信方式174.2.1.2 状态转移184.3 Zigbee路由算法NS2仿真过程204.3.1 产生
10、业务类型204.3.2 编写仿真脚本214.3.3 后期数据处理224.3.4 画图234.4 仿真结果及分析244.4.1 对等网性能分析244.4.2 星型网性能分析264.4.3 簇树网性能分析284.4.5 结论31第五章 总结与展望335.1 论文总结335.2 存在的问题和研究展望33致 谢35参考文献36第一章 绪论1.1 选题的背景与意义和选题动机第一，近几年来，不断地出现关于无线通信的新的名词，比如3G、蓝牙、Zigbee、无线局域网、无线宽带等，可见无线网络正在非常迅速地向前发展，而Zigbee像一匹黑马异军突起，发展迅猛1。2006年有多家Zigbee芯片厂商推出新一代的
11、Zigbee射频芯片，将单片机和射频芯片整合在一起的SoC也已经蓄势待发。2005年全球仅出货100万片Zigbee芯片，谨慎估计2010年将达到1.65亿片。预测2007年Zigbee设备市场与配件收益计算的增长将达80亿美元。第二，蓬勃发展的房地产业是智能抄表技术发展的前提条件。目前，我国住宅建设以每年建筑面积约为10亿平方米的速度发展，折合为约700万套住宅。据建设部有关部门预测，我国房地产持续发展还有40年的时间，从我国国情特别是居住区规划角度来看，我国住宅建设与国外住宅建设相比具有很大优势，建设部一直倡导从生态住宅和智能化住宅等几方面来提升住宅的科技含量，促进住宅产业现代化，因此，从
12、宏观上讲，这都为智能抄表技术的发展提供了广阔的市场空间，应当说我国智能抄表技术具有很好的市场远景，建设部行业标准住宅远传抄表系统就是在这种背景下出台的。另一方面，中国幅员辽阔，人口众多，环境气候差异较大，经济发展极不均衡，使得中国电表、燃气表、水表、热能表产品的现实状况更为复杂，需求更具多样性，发展更有活力，市场潜力更加巨大。以电能表为例，如果按3.7人一户计，居民生活用电能表至少要有3.5亿只；其他表具按1亿只计算，总计电能表应有4.5亿只左右。电能表、水表、燃气表、热能表市场容量当在15亿只以上。考虑每年新装与更换，市场的需求量是非常可观的。第三，Zigbee技术服务于远程抄表所产生的意义
13、2：普通型传感器必须用电缆与中央指挥系统相连接，造价高，且不便操作。每月水表、电表等入户抄表收费给用户和抄表人员带来很多麻烦，且不安全。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端，提高效率，避免入户抄表引发的不安全因素（如冒充收费人员入室抢劫），避免用户受到打扰（如在家休息时）和杜绝拖欠费用等情况,采用Zigbee智能无线网络的远传抄表能有效克服了上述缺点。无线路由协议研究又是在无线领域研究领域的一个热点。因此，研究Zigbee技术符合当今潮流，也具有很大的现实意义。基于以上原因，所以我选择基于Zigbee的无线抄表系统路由协议研究作为我的毕业设计课题。1.2 Zigbee无线抄表技术的通信网络Z
14、igbee无线抄表技术34的通信网络也是用Ad hoc网络。1.2.1 什么是Ad hoc网络Ad hoc网络即自组织网络，Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio Network）。对分组无线网的研究源于军事通信的需要，并已经持续了近20年。早在1972年，美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就启动了分组无线网（PRNET，Packet Radio NETwork）项目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA又在1993年启动了高残存性自适应网络（SURAN，SURvivable
15、Adaptive Network）项目。研究如何将prnet的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统（GloMo，Globle Mobile Information Systems）项目。在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一启来描述这种特殊的对等式无线网络。Ad hoc结构是一种省去了无线AP而搭建起的对等网络结构，只要安装了无线网卡的计算
16、机彼此之间即可实现无线互联；其原理是网络中的一台电脑主机建立点对点连接相当于虚拟AP，而其它电脑就可以直接通过这个点对点连接进行网络互联与共享。由于省去了无线AP，Ad hoc无线局域网的网络架设过程十分简单，不过一般的无线网卡在室内环境下传输距离通常为40m左右，当超过此有效传输距离，就不能实现彼此之间的通讯；因此该种模式非常适合一些短距离、小范围的无线互联需求（比如一个小社区等）。1.2.2 Ad hoc网络的特点Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。与普通的移动网络
17、和固定网络相比，它具有以下特点： 1）无中心：Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 2）自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。3）多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。 4）动态拓扑：Ad hoc网络是一个动态的
18、网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 这些特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。1.3 要完成的任务1）对Zigbee网络层的路由算法分析；2）对Zigbee网络层的几种算法进行仿真；3）对仿真结果进行性能评价。第二章 Zigbee技术和无线抄表技术简介2.1 Zigbee技术简介Zigbee技术5是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的无
19、线通信技术。2000年12月，IEEE 802 无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）小组成立，致力于WPAN无线传输协议的建立。2003年12月，IEEE正式发布了该技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE 802.15.4协议标准，作为Zigbee技术的网络层和媒体接入层的标准协议。2004年12月，ZigBee联盟在IEEE 802.15.4 定义的物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）的基础上定义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE 802.15.4的ZigBee标准协议。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技
20、术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。Zigbee的基础是IEEE802.15.4这是IEEE无线个人区域网(PAN，Personal Area Network)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。Zi
21、gbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：1）数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。2）功耗低：在低耗电待机模式下，两
22、节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势。3）成本低：因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。4）时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。5）安全：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。6）网络容量大：每个Zigbee网络节点最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。7）优良的网络拓扑能力：Zigbee具有星型、树型和网络型等结构的能力。Zigbee设备实际
23、上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔范围。8）有效范围小：有效覆盖范围1075米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。9）工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。2.2 无线抄表技术简介2.2.1 系统整体网络结构以自来水表为例的无线抄表系统6，如图2-1所示，小圆点（黑色）为每家每户与表对接的无线数据采集发送模块（图2-2中的SC8836A或SC8836b），当采集模块接收到水表脉冲信息，即发送至就近骨干收发模块。三角形（红色）为骨干收发模块（图2-2中的SC
24、8836B）组建社区Zigbee骨干网络，可按在大楼外墙壁上，与需要采集的建筑物相对，也可安装在小区照明电杆上，或者屋顶上。每一个采集点负责采集几十到几百个，甚至上千个水电气表的数据，具体采集数量的多少，取决于小区的建筑环境和具体情况。上图为虚拟设计图，在实际应用中，根据现场环境部署增减骨干采集收发模块数量。骨干模块在社区以无线（也可采用有线连接）方式自组成社区骨干网络。五角星（蓝色）定义一台为中心模块，其他模块接收到抄表信息发送或中继发送至中心模块。中心模块本地存储或通过GPRS广域网传送至远端计费系统。2.2.2 系统组网拓扑水表与Zigbee无线数据采集发送模块（SC8836A或SC88
25、36b）对接，水表输出脉冲与采集发送模块TTL接口互联。水表每发送一个脉冲（1升），触发Zigbee模块向骨干采集模块发送数据，骨干数据采集模块接收到信息，返回确认信息。水表端接收到返回信息即进入省电休眠状态（如图2-2所示）。使用SC8836B集中数据采集模块，采集到的来自所有它管辖范围内的水表的数据，进行打包，并通过如下几种方式传给监控中心：A.在每一个SC8836B中，安装一个GPRS或CDMA1X终端模块，利用移动通信网传往管理计费中心，或其它指定地点；B.利用SC8836B模块自身的无线数据中转功能，将所有SC8836B所采集到的数据汇集到某一个采集节点，再通过其它有线或无线的网络传
26、往管理计费中心，包括互联网，宽带网或移动网；个别联网不方便的数据采集点，可单独使用一个GPRS或CDMA1X终端模块直接传输。C.利用485总线或无线网络将一个小区的所有SC8836B采集点连接在一起，然后再通过其它有线或无线的网络传往管理计费中心，包括互联网，宽带网或移动网。所有设备都具备定时自检信息发送，以确保设备运行良好，和电池低压报警信号的发送，在电池余量到达设定范围，即向管理系统发送低压告警信号，提示更换电池，以保证设备正常运行。2.2.3 表连接示意水表输出方波脉冲或其他信号与无线模块（SC8836A/b）TTL接口连接。无线模块直接取水表数据采集模块电池供电（如图2-3所示）。第
27、三章 基于Zigbee的Ad hoc网络路由协议研究3.1 Zigbee技术网络层的路由算法分析3.1.1 Zigbee技术网络层的体系结构研究Zigbee技术的体系结构主要由物理层（PHY）、媒体接入层（MAC）、网络/安全层以及应用框架层组成7，各层之间的分布如图3-1所示。 PHY层的特征是启动和关闭无线收发器、能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（CCA）以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层可以实现信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，还为应用合适的安全机制提供一些方法。它包含具有时间同步信标的可选超帧结构，采用免碰撞的载波侦听多址访问（C
28、SMA-CA）。网络/安全层主要实现密钥管理、存取等功能。网络层主要用于ZigBee的LR-WPAN网的组网连接、数据管理等。应用框架层主要负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持APS（Application Sub-layer Support）、Zigbee设备对象ZDO（Zigbee Device Object）等，实现应用层对设备的管理，为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对Zigbee技术的开发应用。3.1.2 Zigbee的网络拓扑结构ZigBee定义了三种拓扑结构8：星型拓扑结构（Star），主要为一个节点与多个节点的简单通信设计；树型拓扑
29、结构（Tree），使用分等级的树型路由机制；网格型拓扑结构（Mesh），将Z-AODV和分等级的树型（Tree）路由相结合的混合路由方法。三种拓扑结构如图3-2 所示。Zigbee定义了三种设备类型9：Zigbee协调器（Zigbee Coordinator，ZC），用于初始化网络信息，每个网络只有一个ZC；Zigbee路由器（Zigbee Router，ZR），它起监视或控制作用，但它也是用跳频方式传递信息的路由器或中继器；Zigbee终端设备（Zigbee End Device，ZED），它只有监视或控制功能，不能做路由或中继之用。在IEEE标准中，ZED被称为精简功能设备（Reduced
30、-Function Device，RFD），ZC和ZR被称作全功能设备（Full-Function Device，FFD）。3.1.2 网络的组建原理第一个进入PAN(Personal Area Network)具有协调点能力且当前未加入任一网络的节点可以发起建立Zigbee网络1011，这个节点就是该网络的PAN协调点。PAN协调点首先进行信道扫描，选择一个未探测到网络的空闲信道，然后确定自己的l6 bit网络地址、网络的PAN ID、网络的拓扑参数等。当各项参数选定后，PAN协调点便可以接受其它节点为子节点。当一个未加入网络的节点A想要加入PAN时，便向网络中的节点发送关联请求，收到关联请
31、求的节点如果有能力接受节点A为其子节点，就为节点A分配一个网络中唯一的l6 bit网络地址，并发出关联应答，收到关联应答后，节点A成功加入网络，并可以接受其它节点的关联。一个节点是否具有接受其它节点与其关联的能力，主要取决于此节点可利用的资源，如存储空间、能量等。如果网络中的节点想要离开网络，同样可以向其父节点发送解除关联的请求，收到父节点的解除关联应答后，便可以成功离开网络，但如果此节点有一个或多个子节点，在其离开网络之前，首先要解除所有子节点与自己的关联。3.2 Zigbee网络层的路由算法分析Zigbee网络层支持Tree、Z-AODV、Tree + Z-AODV等多种路由算法12。3.
32、2.1 Zigbee的AODV路由协议DSDV（destination-sequenced distance-vector）协议是一个基于传统的BellmanFord路由机制的表驱动算法，被认为是最早的无线自组网络路由协议。DSDV在传统的distance-vector算法的基础上采用了序列号机制，用于区分路由的新旧程度，防止distance-vector算法可能产生的路由环路。DSDV采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路由表，其中包括所有有效目的节点、路由跳数、目的节点路由序列号等信息，目的节点路由序列号用于区别有效和过期的路由信息以避免环路的产生。D
33、SR（dynamic source routing）协议是最早采用按需路由思想的路由协议，包括路由发现和维护两个过程。它的主要特点是使用了源路由机制进行数据包转发。AODV(ad-hoc on-demand distance vector)协议在DSDV协议的逐跳路由、序列号、定期广播机制基础上，加入了DSR的按需路由发现和维护机制。AODV在每个中间节点隐式保存了路由请求和应答的结果，并利用扩展环搜索（expanding ring research）的办法限制搜索发现目的节点的范围。AODV支持组播功能，支持QoS，而且AODV使用IP地址，便于同Internet连接。但AODV基于双向信道
34、的假设，路由应答数据包直接沿着路由请求的反方向回溯到源节点，因而不支持单向信道。与DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通过建立按需路由来减少路由广播的次数，这是AODV对DSDV的重要改进。与DSR相比，AODV的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据包中，这样会降低路由协议的开销。AODV是一个纯粹的按需路由协议，那些不在路径内的节点不保存路由信息，也不参与路由表的交换。3.2.2 Z-AODV能量平衡路由在Zigbee路由规范中没有过多的考虑能量控制，但是对于Ad hoc无线网络来说，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略来改进Zigbee路由。它将使节点避免用尽所有能量以至于过早
35、的失去作用。当节点想要选择路径时，它将考虑路径上的节点的剩余能量13。Z-AODV算法是针对AODV（Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的改进，AODV是基于序列号的路由，它总是选择最新的路由。Z-AODV是基于路径的能量消耗的路由，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但仍保持AODV的原始功能。在路由选择和路由维护时，Zigbee的路由算法使用了路由成本的度量方法来比较路由的好坏。假定一个长度为L的路由P，则它的路由成本为：为：其中，表示从节点到节点的链路成本。对于链路，链路成本可按照下面的表达式计算：其中，为链路中发送数据包的概率。在Zigbee规范中没有涉及到的具
36、体计算方法。可通过实际计算收到的信标和数据帧来进行估计，即通过观察帧的响应序列号来检测丢失的帧，这就通常被认为最准确地测量接收概率的方法。但是，对于所有的方法来说，最直接和有效的方法就是基于IEEE 802.15.4 的MAC层和PHY层所提供的每一帧的LQI通过平均所计算的值。即使使用其他方法，最初的成本估计值也是基于平均的LQI值。可以根据驱动函数表来映射平均LQI值与C值的关系（见表3-1）。表3-1 LQI值与链路成本的关系LQI链路成本大于75150753小于507能量平衡运算要考虑许多因素来选择路由。这些因素包括临近节点的能量、节点自身的能量和链路质量。剩余能量Elocal可以在每
37、一个Zigbee帧中的保留域发送，这样每个节点都能得到它的邻居节点最新的能量分配E1，E2En。3.2.3 树型（Tree）路由树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度Depth0=0。如果节点（i）想要加入网络，并且与节点（k）连接，那么节点（k）将称为节点（i）的父节点。根据自身的地址Ak和网络深度Depthk，节点（k）将为节点（i）分配网转络地址Ai和网络深度Depthi=Depthk+1。网络深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到Zigbee协调器所传递的最小跳数。Zigbee协调器自身深度为0，而它的子设
38、备深度为1。图3-3为Zigbee树型结构。参数nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或协调器在网络中允许拥有子设备数量的最大值。参数nwkMaxRouters(Rm)表示子节点中路由器的最大个数，而剩下的设备数为终端设备数。 一个新的RFD节点（i），它没有路由能力，它与协调器连接作为协调器的第n个子节点。根据它的深度d，父节点（k）将为子节点（i）分配网络地址： 其中，如果是新的子节点FFD，它有路由能力，父节点（k）将给它分配网络地址： 其中，否则，参数nwkMaxDepth (Lm)表示网络的最大深度。假设一个路由器向网络地址为D的目的地址发送数据包，路由器的网络地址为A，网络
39、深度为d。路由器将首先通过表达式：判断该目的节点是否为自己的子节点。如果目的节点是自己的子节点，则下一跳节点的地址为：否则，下一跳节点是该路由器的父节点。3.2.4 Tree+Z-AODV路由算法的分析根据上文对Tree和Z-AODV两种路由算法的分析，在我们的ZigBee网络中将二者结合，使用Z-AODV和分等级的树型（Tree）路由相结合的混合路由方法，构成网格型拓扑结构（Mesh）的网络。具体实现方法是在数据帧帧头的DiscoverRouter域指定路由。该域可以是如下三种值：1) 抑制路由发现：它使用已经存在的路由表。当路由表中没有相应的目的节点的地址时，参数nwkUseTreeRou
40、ting的值为TRUE，网络将使用树型路由。2) 使能路由发现：如果在路由表中有路由地址，将按照该路由表进行路由。否则，路由器将使用Z-AODV路由算法初始路由发现。如果该节点没有初始路由发现的能力，它将使用树型路由。3) 强制路由发现：不管是否有相应的路由表，节点都强制使用Z-AODV路由算法初始化路由发现。在ZigBee规范中提出了将AODV和Tree路由混合的路由机制。但在Zigbee规范中并没有说明如何配置参数来选择路由策略，没有使两者平衡的设计方法。根据上面Tree路由和Z-AODV的分析，我们提出了基于数据特性的路由方法，即在两种路由算法构成的网格型网络中，根据节点间传输数据特性的
41、不同，通过设置数据帧帧头的DiscoverRouter域，选择不同的路由方法。对于捆绑型的连续数据，Zigbee应用层应选择使用使能路由的方法。即采用Z-AODV路由首先建立路由发现，然后选择跳数少的路由，成为最佳路径；对于爆发型的不连续数据则使用抑制路由发现的方法，即在路由表中没有响应的目的节点的地址时，采用Tree路由方法。因为这种路由不需要建立路由表，因此对传输的数据响应较快。图3-4为节点接收到上层或其他节点发送的数据包时，网络层处理程序的流程图。 3.2.5 路由算法小结Tree路由是一种由网络协调器展开生成树状网络的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存
42、储路由表。树型路由对传输数据包的响应较快，因为树型路由不需要建立路由表。其缺点是所选择的路由并非是最佳的路由，不能获得最小路由。树型路由适用于爆发型的数据传输。 Z-AODV需要首先建立路由发现，然后选择跳数少的路由，成为最佳路径。Z-AODV适用于连续的数据传输。在ZigBee规范中，设计了Z-AODV和Tree路由混合的路由策略，这里我们提出了基于数据服务的Zigbee路由选择策略。根据上述分析可以看出，这种路由选择机制在网络性能和低功耗方面有明显的优势；并且根据能量控制机制，可以有效地平衡节点能量，避免节点耗尽能量而过早地失去作用。3.3 ZigBee模块硬件设计模块集无线收发器、微处理
43、器、存储器和用户API等软硬件于一体，可实现1.0版Zigbee协议栈的功能。图3-5是模块的硬件框图，射频芯片采用Chipcon公司生产的符合IEEE802.15.4标准的模块CC2430；控制射频芯片的微处理器可以根据需要选择Atmel公司的AVR系列单片机或者Silicon Labs 公司的8051内核单片机。单片机与射频芯片之间通过SPI通信。单片机与外部设备之间通过串口通信，单片机自带若干ADC或者温度传感器，可以实现简单的模数转换或者温度监控。为了方便代码移植到不同的硬件平台，模块固件采用标准C语言编写代码实现。第四章 用NS2进行Zigbee路由算法仿真上章给路由算法作了比较详细
44、的分析，本章将用仿真软件来仿真下上面的算法，并进行性能评估。目前被广泛使用的网络仿真平台包括NS2、OPNET和QUALNET。NS2是一款比较容易上手的网络仿真平台，适合普通工作者和教学适用；QUALNET是一款专业的网络仿真软件，目前还很难找得到中文的使用教程或资料，且不容易上手；至于OPNET，作为一个商业化的仿真平台，要想实现对其底层模块的修改和扩充同样存在不小的困难；因此，我选择NS2作为此次的仿真平台。下面就介绍协议实现基于的NS2仿真平台、实现协议的具体方法和性能评估。4.1 NS2 简介NS214是进行网络仿真最流行的软件，已广泛被科研院所和各大高校用于进行网络分析、研究和教学
45、。它支持众多的协议，并提供了丰富的测试脚本。NS2全称是Network Simulator Version 2。它是面向对象的，离散事件驱动的网络环境模拟器，主要用于解决网络研究方面的问题。NS2提供在无线或有线网络上，TCP、路由、多播等多种协议的模拟。NS2最早来源与1989年的Real Network Simulator项目，经过多年的发展之后，于1995年得到施乐公司（Xerox）的支持，加入VINT项目。NS一直以来都在吸收全世界各地研究者的成果，包括UCB、CMU等大学和SUN等公司的无线网络方面的代码。NS2由两种编程语言，OTCL（具有面向对象特性的TCL脚本程序设计语言）和C
46、+实现。之所以使用两种编程语言，是因为模拟器有两方面的事情需要做。一方面，具体协议的模拟和实现，需要一种程序设计语言，能够高效率的处理字节（Byte），报头（Packet Header）等信息，能够应用合适的算法在大量的数据集合上进行操作。为了实现这个任务，程序内部模块的运行速度（run-time speed）是非常重要的，而运行模拟环境的时间、寻找和修复bug的时间，重新编译和运行的时间（run-around time）不是很重要。这种情况下，C+语言是非常合适的。另一方面，许多网络中的研究工作都围绕着网络组件和环境的具体参数的设置和改变而进行的，需要在短时间内快速的开发和模拟出所需要的网络
47、环境（scenarios），并且方便修改和发现、修复程序中的Bug。在这种任务中，网络环境布置的时间就显得很重要了，因为模拟环境的建立和参数信息的配置只需要运行一次。这种情况下，脚本语言有很大优势，具有面向对象特性的TCL脚本语言可以充分满足需求。NS2中节点的结构与实际环境中的网络节点非常相似，如图2所示。对于一个网络节点来说，有IP地址和端口号，这对应的就是图中的地址分类器（Address Classifier）和端口分类器（Port Classifier）。当TCP数据包从节点入口处（Node Entry）进来节点之后，首先在地址分类器处通过IP包头判断IP地址是否与本节点相同，如果相同则进入端口分类器，通过TCP包头获得数据包的目的端口，并把数据包发送到节点相应的端口进行处理；如果在地址分类器处发现数据包的目的IP地址与本节点不同，就将数据包重新发送进入链路，以供其他节点处理。NS2为我们提供了一个很好的试验平台。它使用两种语言，C+有利于快速的运行速度；TCL则有利于快速建立试验环境。NS2中的实体结构也非常清晰，有利于
